Influência do desenvolvimento do perfil de velocidade na medição de vazão pelo medidor ultrassônico do tipo Clamp-On com dois canais

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1 Felipe Borges Coelho Influência do desenvolvimento do perfil de velocidade na medição de vazão pelo medidor ultrassônico do tipo Clamp-On com dois canais Dissertação de Mestrado Dissertação apresentada como requisito parcial para obtenção do grau de Mestre pelo Programa de Pós- Graduação em Metrologia (Área de concentração: Metrologia para Qualidade e Inovação) da PUC-Rio. Orientador: Prof. Alcir de Faro Orlando Rio de Janeiro Setembro de 2017

2 Felipe Borges Coelho Influência do desenvolvimento do perfil de velocidade na medição de vazão pelo medidor ultrassônico do tipo Clamp-On com dois canais Dissertação apresentada como requisito parcial para obtenção do grau de Mestre pelo Programa de Pós-Graduação em Metrologia da PUC-Rio. Aprovada pela Comissão Examinadora abaixo assinada. Prof. Alcir de Faro Orlando Orientador Programa de Pós-graduação em Metrologia - PUC-Rio Prof. Elcio Cruz de Oliveira Programa de Pós-graduação em Metrologia - PUC-Rio Maria Helena Farias INMETRO Instituto Nacional de Metrologia, Qualidade e Tecnologia Prof. Márcio da Silveira Carvalho Coordenador Setorial de Pós-Graduação do Centro Técnico Científico - PUC-Rio Rio de Janeiro, 22 de setembro de 2017

3 Todos os direitos reservados. É proibida a reprodução total ou parcial do trabalho sem autorização da universidade, do autor e do orientador. Felipe Borges Coelho Formado em Engenharia de Controle e Automação pela Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, Brasil em Coelho, Felipe Borges Ficha Catalográfica Influência do desenvolvimento do perfil de velocidade na medição de vazão pelo medidor ultrassônico do tipo Clamp-On com dois canais / Felipe Borges Coelho; orientador: Alcir de Faro Orlando f. : il. color. ; 30 cm Dissertação (mestrado) Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro, Centro Técnico Científico, Programa de Pós-Graduação em Metrologia para a Qualidade e Inovação, Inclui bibliografia 1. Metrologia Teses. 2. Metrologia. 3. Incerteza de medição. 4. Medição de escoamento em desenvolvimento. 5. Medidor de vazão clamp-on. 6. Calibração in-situ. I. Orlando, Alcir de Faro. II. Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro. Centro Técnico Científico. Programa de Pós-Graduação em Metrologia para a Qualidade e Inovação. III. Título. CDD: 389.1

4 Agradecimentos Primeiramente, à Deus, por tudo que sou e tenho, e que sem ele nada disso seria possível. A todos de minha família. Em especial à minha mãe e irmã pelo alicerce familiar e por toda educação e ensinamentos que a vida exige. À Francielle Carvalho, que me incentivou e auxiliou em diversos momentos durante a execução do trabalho, especialmente pelo amor. Ao meu pai (in memoriam), que apesar do pouco contato que tive sei que está sempre olhando por mim. Ao professor Dr. Alcir de Faro Orlando, meu orientador, por toda paciência, confiança e sobretudo sua transmissão de sabedoria não somente a respeito do tema do trabalho, mas sobre os mais variados assuntos. Me sinto honrado de ter sido seu aluno. Ao Evemero Callegario, por todo suporte técnico e discussões técnicas sobre os experimentos. E ao Marcelo pela organização do espaço e assistência. Ao CNPq pelo auxílio financeiro, e incentivo à pesquisa no Brasil. À Petrobras pela infraestrutura do laboratório utilizado para os testes. À Márcia Ribeiro e Paula Guimarães, da equipe administrativa do Programa de Pós-Graduação em Metrologia da PUC-Rio.

5 A todos que contribuíram direta ou indiretamente para a realização deste trabalho e em minha formação.

6 Resumo Coelho, Felipe Borges; Orlando, Alcir de Faro. Influência do desenvolvimento do perfil de velocidade na medição de vazão pelo medidor ultrassônico do tipo Clamp-On com dois canais. Rio de Janeiro, p. Dissertação de Mestrado - Programa de Pós-graduação em Metrologia (Área de concentração: Metrologia para Qualidade e Inovação), Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro. Plantas industriais necessitam de algum tipo de medição, em especial a indústria química e de óleo e gás, que empregam em maior quantidade medidores de vazão, sobretudo os de princípio ultrassônico por sua maior confiabilidade. O desempenho metrológico desse tipo de medidor é sensível a imperfeições no perfil de escoamento, e por isso é recomendado que atendam aos requisitos de instalação quanto à distância de trechos retos especificados pela norma. No entanto, em alguns casos tais recomendações não conseguem ser atendidas devido ao espaço físico compacto, mas mesmo assim é mantida a instalação de tais instrumentos em locais inadequados. Por este motivo, a avaliação dos impactos provocados pelas incertezas de medição ocasionadas por irregularidades no perfil de escoamento torna-se relevante. O presente trabalho mostrou que após vários testes com o medidor de vazão do tipo clamp-on de dois canais, instalado em variadas posições longitudinais após seguidos trechos de curva na tubulação, é possível a partir de trechos retos equivalentes a 20 diâmetros utilizar o medidor como um medidor padrão itinerante para calibração de outros medidores de vazão dispostos em linha localizados adequadamente no campo, denominado calibração "in-situ". Os resultados dos testes atingiram níveis de incerteza de vazão inferiores a 1 %, especificada para calibração de medidores operacionais. O trabalho também mostrou que o uso do fator do medidor numa calibração pode minimizar a influência da flutuação do escoamento sobre a incerteza de medição do medidor, estimando mais realisticamente sua incerteza na ausência de flutuações. Palavras-chave Metrologia; Incerteza de medição; Medição de escoamento em desenvolvimento; Medidor de vazão clamp-on; Vazão; Calibração in-situ

7 Abstract Coelho, Felipe Borges; Orlando, Alcir de Faro (Advisor) Influence of the developing velocity profile on flow measurement using a two channel Clamp-On type ultrasonic flow meter. Rio de Janeiro, p. Dissertação de Mestrado - Programa de Pós-graduação em Metrologia (Área de concentração: Metrologia para Qualidade e Inovação), Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro. Industrial plants need some kind of measurement, especially chemical and oil and gas industries, which uses a large amount of flow meters, mainly those that uses ultrasonic principle due to their greater reliability. The metrological performance of this type of meter is sensitive to imperfections present in the flow profile, and therefore must comply the installation requirements relative to the distance of straight sections without objects that cause any kind of disruption in the flow. However, in some cases such recommendations are not met due to the compact physical space, which does not preclude the installation of such instruments. For this reason, the evaluation of impacts on the uncertainties of measurement caused by irregularities in the flow becomes relevant. This work shows that using a two channels clamp-on flow meter, installed in various longitudinal positions after consecutive bend sections in the pipe, it is possible to, distance starting from 20 diameters, use the meter as the standard traveling meter for calibration of others flow meters arranged in-line, properly located in the field, process called in-situ calibration. The test results provided an uncertainty less than 1 %, which is usually specified for operational meters. This work also shows that the meter factor can be used to minimize the influence of the flow rate fluctuation on the uncertainty of measurement, and thus to estimate more realistically its value when there is no fluctuation. Keywords Metrology; Uncertainty measurement; Developing flow measurement; Clamp-On flow meter; Flow; In-situ calibration

8 Sumário 1 Introdução Definição do problema da pesquisa Objetivos: geral e específicos Estrutura da dissertação 21 2 Fundamentos teóricos da medição de vazão por princípio ultrassônico Princípio de operação Determinação da velocidade por tempo de trânsito Definição da vazão Classificação de medidores Medidor de vazão ultrassônico do tipo clamp-on Orientação dos transdutores Fórmula da vazão do medidor ultrassônico do tipo clamp-on Estudo desenvolvido pelo fabricante 32 3 Metodologia de avaliação Erro de medição Fator do medidor (MF) Repetibilidade Incerteza de medição 39 4 Procedimento experimental Bancada de testes Concepção Bancada de testes Estrutura completa Circuito hidráulico Medidores utilizados Procedimento dos testes 49 5 Resultados 53

9 5.1. Repetibilidade Medidor com 1 diâmetro nominal de trecho reto à montante Medidor com 5 diâmetros nominais de trechos retos à montante Medidor com 10 diâmetros nominais de trechos retos à montante Medidor com 16,5 diâmetros nominais de trechos retos à montante Medidor com 20 diâmetros nominais de trechos retos à montante Medidor com 29 diâmetros nominais de trechos retos à montante Medidor com 41 diâmetros nominais de trechos retos à montante Medidor com 50 diâmetros nominais de trechos retos à montante Análise experimental Fator do medidor em função da distância de instalação Incertezas Vazão de 40 m³/h Vazão de 37,5 m³/h Vazão de 35 m³/h Vazão de 32,5 m³/h Vazão de 30 m³/h Vazão de 25 m³/h Vazão de 20 m³/h Comparação com o estudo do fabricante 70 6 Conclusões e orientações futuras Conclusões Recomendações para trabalhos futuros 72 Referências bibliográficas 73

10 Anexo A: Certificado medidor clamp-on Flexim 77 Anexo B: Manual bomba NETZSCH modelo NM063BY01L07V 80 Anexo C: Certificado medidor Caldon modelo 280C 81 Anexo D: Certificado do multímetro HP 34970A 90 Anexo E: Gráficos de evolução da incerteza de vazão ao longo do número de trechos retos 97

11 Lista de figuras Figura 1 - Técnicas ultrassônicas empregadas na medição de vazão. Fonte: (NBR 16198, 2013) 24 Figura 2: Esquema do processo de medição de vazão com medidor ultrassônico por tempo de trânsito. Fonte: Adaptado de (Weber, 2003) [5] 26 Figura 3: Forma de onda na medição por princípio de tempo de trânsito. Fonte: Adaptado de (National Measurement System, 2017) [4] 27 Figura 4: Layout dos feixes ultrassônicos de um medidor com múltiplos canais. Fonte: Adaptado de (Weber, 2003)[5] 28 Figura 5: Classificação de instrumentos. Fonte: Adaptado de (National Measurement System, 2017) 29 Figura 6: Representação do contato entre transdutor e fluido. Fonte: (NBR 16198, 2013) [6] 29 Figura 7: Refração do feixe ultrassônico nos diferentes meios. Fonte: Adaptado de (National Measurement System, 2017) 30 Figura 8: Instalação dos transdutores em volta da tubulação com configuração (a) reflexiva em dois planos e (b) direta em apenas um plano. Fonte: (Funck e Baldwin, 2012) 31 Figura 9: Resultado da simulação no CFD divulgado pela Flexim. Fonte: Adaptado de (Funck e Liptrot, 2014). 33 Figura 10: Resultado dos testes executados pelo fabricante Flexim. Fonte: Adaptado de (Funck e Liptrot, 2014). 34 Figura 11: Demonstrativo de cálculo e as variáveis envolvidas. 37 Figura 12: Esquema do conceito da bancada de testes, vista lateral. 43 Figura 13: Esquema do conceito da bancada de testes, vista isométrica. 43 Figura 14: Variação do local de instalação do medidor tipo clamp-on. 44 Figura 15: Vista aérea da casa de máquinas. 45

12 Figura 16: Vista do loop de teste na área interna do laboratório. Parte Figura 17: Vista do loop de teste na área interna do laboratório. Parte Figura 18: Medidor ultrassônico de vazão. Fonte: Flexim 47 Figura 19: Medidor de vazão ultrassônico com 8 canais, Caldon 280C. Fonte: Cameron 48 Figura 20: Multímetro HP modelo 34970A de 6,5 dígitos. Fonte: Hewlett Packard 49 Figura 21: Posicionamento dos transdutores em cada um dos testes localizados 27 DN à montante do medidor de referência. 51 Figura 22: Fluxograma de correção do valor de leitura do clamp-on. 52 Figura 23: Curva de repetibilidade do fator do medidor (MF) de acordo com o tempo de integração. 54 Figura 24: Testes com medidor instalado com 1 DN de trecho reto. 55 Figura 25: Repetibilidade para cada vazão nominal de teste a 1 DN de trecho reto. 56 Figura 26: Testes com medidor instalado à montante com 5 DN de trechos retos. 56 Figura 27: Repetibilidade para cada vazão nominal de teste a 5 DN. 57 Figura 28: Testes com medidor instalado à montante com 10 DN de trechos retos. 57 Figura 29: Repetibilidade para cada vazão nominal de teste a 10 DN. 58 Figura 30: Testes com medidor instalado à montante com 16,5 DN de trechos retos. 58 Figura 31: Repetibilidade para cada vazão nominal de teste a 16,5 DN. 59 Figura 32: Testes com medidor instalado à montante com 20 DN de trechos retos. 59 Figura 33: Repetibilidade para cada vazão nominal de teste a 20 DN. 60 Figura 34: Testes com medidor instalado à montante com 29 DN de trechos retos. 60 Figura 35: Repetibilidade para cada vazão nominal de teste a 29 DN. 61

13 Figura 36: Testes com medidor instalado à montante com 41 DN de trechos retos. 61 Figura 37: Repetibilidade para cada vazão nominal de teste a 41 DN. 62 Figura 38: Testes com medidor instalado à montante com 50 DN de trechos retos. 62 Figura 39: Repetibilidade para cada vazão nominal de teste a 50 DN. 63 Figura 40: Valor de fator do medidor ao longo do número de trechos retos em relação as curvas. 64 Figura 41: Curva de incerteza combinada ao longo do tempo de integração. 66 Figura 42: Valor de incerteza em função da posição do medidor ao longo da tubulação para vazão nominal de 40 m³/h. 67 Figura 43: Valor de incerteza em função da posição do medidor ao longo da tubulação para vazão nominal de 37,5 m³/h. 67 Figura 44: Valor de incerteza em função da posição do medidor ao longo da tubulação para vazão nominal de 35 m³/h. 68 Figura 45: Valor de incerteza em função da posição do medidor ao longo da tubulação para vazão nominal de 32,5 m³/h. 68 Figura 46: Valor de incerteza em função da posição do medidor ao longo da tubulação para vazão nominal de 30 m³/h. 69 Figura 47: Valor de incerteza em função da posição do medidor ao longo da tubulação para vazão nominal de 25 m³/h. 69 Figura 48: Valor de incerteza em função da posição do medidor ao longo da tubulação para vazão nominal de 20 m³/h. 70

14 Lista de tabelas Tabela 1: Erros em corrente elétrica do teste preliminar do medidor clamp-on no multímetro HP. 50 Tabela 2: Erros em m³/h do teste preliminar. 50

15 Lista de símbolos Símbolo Descrição Unidade L Distância entre os transdutores m D Diâmetro interno da tubulação m t XY Tempo de trajeto do feixe ultrassônico do transdutor X ao Y s c k h V Objeto Velocidade do som no meio α m/s Fator de correção entre a velocidade média do escoamento e a velocidade média do feixe ultrassônico Vazão do medidor objeto m³/h V Padrão Vazão do medidor de referência (padrão) m³/h X Média das medições m³/h MF n X i Fator do medidor Número total de corridas Média das medições referente ao número total de corridas m³/h t i Tempo de integração do teste s x j Média das medições referente ao tempo de integração m³/h s Desvio padrão m³/h R t Valor de repetibilidade m³/h Valor t-student u Incerteza padrão combinada m³/h k Fator de abrangência

16 U v Incerteza expandida m³/h Velocidade média axial m/s

17 Lista de siglas Sigla ANP API MPMS INMETRO ISO MPMS VIM GUM DN NBR RTM Descrição Agência Nacional do Petróleo, Gás Natural e Biocombustíveis Instituto Americano de Petróleo (American Petroleum Institute) Instituto Nacional de Metrologia, Qualidade e Tecnologia Organização Internacional para Padronização (International Organization for Standardization) Manual de Normas de Medição de Petróleo (Manual of Petroleum Measurement Standards) Vocabulário Internacional de Metrologia Guia para expressão de incerteza de medição Diâmetro nominal Norma Brasileira Regulamento Técnico de Medição

18 Nenhum trabalho de qualidade pode ser feito sem concentração, auto sacrifício, esforço e dúvida. Max Beerbohm

19 1 Introdução A exploração e a produção de petróleo e gás natural são atualmente umas das principais atividades econômicas no Brasil, mesmo com a queda brusca do preço do óleo ocorrida em E a cada ano é necessário aumentar a oferta para suprir a demanda crescente. Com o intuito de alcançar esse objetivo e aliado aos desafios, se faz necessário expandir a quantidade de plataformas exploradoras, já que a maior parte das reservas de petróleo brasileiro está localizada em campos marítimos. Devido a este fato, algumas complicações técnicas surgem e é fundamental que sejam encontradas soluções. É notável que o espaço físico nas plataformas de petróleo é extremamente compacto e foi projetado e construído para comportar todo mecanismo de extração, tratamento e estocagem do óleo. No entanto, nem sempre é possível reproduzir integralmente o que fora projetado, o que pode gerar algum tipo de impacto nas medições. Há necessidade periódica de se calibrar os instrumentos de medição, como é o caso do medidor de vazão. Para evitar a interrupção de operação da planta e, além disso, poupar gastos envolvidos na retirada e logística do instrumento da linha, busca-se possibilitar, especificamente, no caso da medição de vazão, a utilização de um medidor padrão itinerante para realizar calibrações in-situ. Porém, há que se assegurar o adequado desempenho do medidor padrão. Assim, esta pesquisa de mestrado tem como finalidade estudar a influência do perfil de velocidade do escoamento utilizando um instrumento ultrassônico de vazão do tipo clamp-on de dois canais, para que no futuro esse medidor possa ser empregado como um medidor de referência para a calibração in-situ de outros medidores de vazão. O estudo baseou-se na comparação entre o medidor clamp-on de dois canais com um padrão que também opera por princípio ultrassônico e é de hierarquia metrológica superior. Os testes consistem em reproduzir situações de instalação inadequada para um medidor de vazão, situado próximo a curvas na tubulação que causem distorção no perfil de escoamento, e que consequentemente interferem na medição.

20 Definição do problema da pesquisa De acordo com normas e regulamentos vigentes, os instrumentos devem ser utilizados nas mesmas condições em que foram calibrados, para que durante sua operação não ocorra influência de fatores externos que comprometam os resultados. Usualmente, a calibração ocorre em condições onde o escoamento está completamente desenvolvido, em atendimento às normas. Entretanto, é frequente a violação destas condições, tanto devido à limitação do espaço físico quanto devido à tentativa de conciliar o acesso da equipe técnica ao instrumento, em função da necessidade periódica de se calibrar estes instrumentos, como determinado pelo Regulamento Técnico de Medição (RTM). Diante desta situação, é esperado que os resultados das medições realizadas por tais instrumentos exibam flutuações maiores e, no caso específico deste trabalho, que aborda a medição de vazão, isso ocorre, pois, o perfil de escoamento ainda se encontra em desenvolvimento no local de medição. O comportamento do escoamento na tubulação influencia qualquer tipo de medição que se deseja realizar. Neste trabalho, a escolha pelo medidor de vazão ultrassônico do tipo clamp-on justifica-se pela vantagem de ser um medidor não intrusivo e não invasivo e, desta forma, o escoamento não sofre distúrbios causados pelo mesmo. Ademais, é um instrumento que permanece acoplado externamente à tubulação sendo de fácil transporte. Um desafio similar a este foi descrito na dissertação de (Ferreira, 2015), no qual foram testadas diversas posições longitudinais e angulares ao longo da tubulação utilizando um medidor ultrassônico também do tipo clamp-on, porém de apenas um canal. E deu origem a esse trabalho que se baseia em um experimento similar, onde o medidor ultrassônico do tipo clamp-on de outro fabricante é utilizado em diversas posições longitudinais ao longo da tubulação, mas com posição angular (orientação) fixa em todos os testes, tal orientação recomendada pelo fabricante do medidor. Nesse trabalho o objetivo é mensurar a magnitude da incerteza de medição causado pelo escoamento ainda em desenvolvimento utilizando um medidor com dois canais, característica alegada que quando empregada permite melhorar a incerteza das medições.[1]

21 Objetivos: geral e específicos O principal objetivo desta dissertação é estudar o desempenho de um medidor de vazão do tipo clamp-on com dois canais quando o perfil de velocidade do escoamento está em desenvolvimento. Os objetivos específicos envolvidos no trabalho para atingir o objetivo geral incluem: Identificar os processos de testes já executados e seus resultados; Demonstrar o desempenho do medidor de vazão clamp-on utilizando como padrão outro medidor ultrassônico; Determinar a confiabilidade metrológica do medidor ultrassônico em função de sua localização em relação ao início do trecho reto da tubulação. Identificando o desempenho do medidor clamp-on para diversos cenários de instalação, será possível avaliar a confiabilidade no emprego deste medidor como um padrão para calibrar outros instrumentos que estejam instalados de forma análoga ao mesmo Estrutura da dissertação A dissertação é desenvolvida em um total de seis capítulos, sendo o primeiro capítulo a introdução, a definição do problema que envolve a motivação e metodologia da pesquisa, e os objetivos geral e específicos do trabalho. O capítulo 2 descreve os fundamentos técnicos e teóricos envolvidos na medição ultrassônica de vazão por ultrassom, e aborda os medidores de vazão ultrassônicos que são utilizados no trabalho. No capítulo 3 é demonstrada a metodologia de avaliação, apontando os parâmetros para a caracterização metrológica dos instrumentos de medição. No capítulo 4 é apresentado o método experimental aplicado, a concepção da bancada de testes, os procedimentos de testes envolvidos junto com a definição dos locais críticos para a instalação do medidor clamp-on, onde o escoamento se encontra perturbado, e as orientações de instalação dos transdutores. O capítulo 5 aborda os dados coletados, os resultados finais dos testes, e a magnitude do impacto gerado na medição de acordo com a posição longitudinal em que o medidor clamp-on se encontra.

22 22 O último capítulo discute os resultados encontrados e propõe diretrizes para trabalhos futuros.

23 2 Fundamentos teóricos da medição de vazão por princípio ultrassônico O som é um fenômeno acústico que pode ser utilizado como uma ferramenta em sistemas de medição. Desde a origem do ser humano o som era utilizado como meio de conhecimento da distância até um certo objeto, mesmo com resultados imprecisos. É através do som que os animais se comunicam e certas espécies o utilizam para localização. Por meio do avanço tecnológico e de pesquisas, essa ferramenta evoluiu sendo atualmente utilizada no âmbito médico e no contexto industrial. No meio industrial, a funcionalidade do som possibilitou a medição de vazão e ao longo dos mais de 50 anos de desenvolvimento seu desempenho aumentou consideravelmente. De maneira geral, as aplicações do som como ferramenta se mostram eficazes e seguem em constante evolução. O emprego de medidores de vazão que utilizam a tecnologia ultrassônica cresce rapidamente, representando uma expectativa de crescimento do mercado de instrumentos de vazão de cerca de 8,29%, alcançando 5,1 bilhões de dólares no ano de 2017 (Flow Control Magazine, 2017). Tal destaque também é refletido na quantidade de estudos realizados recentemente sobre tecnologias de medição ultrassônica. Atualmente, o tema mais abordado é a medição de vazão em regimes em transição, onde o perfil do escoamento é assimétrico, sendo um dos fatores que contribuem para o erro de medição. [2] A modernização dos equipamentos trouxe benefícios em termos de regulamentação, pela confiabilidade e exatidão associadas aos instrumentos ultrassônicos. No âmbito nacional, a ANP (Agência Nacional do Petróleo, Gás Natural e Biocombustíveis) é o órgão regulador das atividades que integram as indústrias do setor de óleo e gás, e o Inmetro estabelece a regulamentação dos instrumentos utilizados na medição de petróleo e gás natural e executa o controle legal dos sistemas de medição. Em conjunto, a ANP e o Inmetro, permitem a utilização da tecnologia ultrassônica na medição fiscal e em transferência de

24 24 custódia desde que sejam atendidos os requisitos especificados (Portaria Conjunta ANP/Inmetro, 2013). [3] 2.1. Princípio de operação Os medidores de vazão que utilizam o princípio de ultrassom têm como finalidade principal determinar a velocidade do fluido que percorre a tubulação. Para a definição da velocidade alguns fatores são determinísticos, tais como a técnica empregada, as condições externas, o tipo e as características do fluido de trabalho. As diferentes técnicas empregadas para o cálculo da velocidade do escoamento estão presentes na figura 1 são: Tempo de trânsito Efeito Doppler Correlação cruzada Acústica passiva Deflexão do feixe Figura 1 - Técnicas ultrassônicas empregadas na medição de vazão. Fonte: (NBR 16198, 2013) As 3 primeiras técnicas citadas são as mais utilizadas nos instrumentos industriais. Acústica passiva é o método em que o transdutor apenas capta o som gerado pelos vórtices, de modo que quanto maior for a frequência dos vórtices

25 25 captados maior é velocidade do fluido. O método de deflexão do feixe funciona a partir da transmissão contínua do sinal de ultrassom através da tubulação e do fluido até o transdutor receptor na outra extremidade da tubulação. O transdutor receptor monitora o ângulo de deflexão do feixe que está relacionado à velocidade média do fluido. A técnica por tempo de trânsito é a mais comum utilizada nos medidores de tecnologia clamp-on. É a técnica empregada nos instrumentos desse trabalho. Seu funcionamento é baseado na diferença entre o tempo decorrido nos trajetos do feixe ultrassônico entre os transdutores, sendo o primeiro trajeto em sentido a favor do escoamento, e o segundo no sentido contrário. Essa diferença de tempo pode ser associada à velocidade do fluido. O método efeito Doppler é baseado na reflexão do som pelas partículas presentes no fluido. Ondas de som emitidos pelo transdutor são refletidos pelas pequenas borbulhas ou sólidos, e então captadas pelo receptor. A velocidade do escoamento é determinada de acordo com a variação entre a frequência captada e a frequência emitida. Esse método é extremamente dependente das propriedades físicas do fluido, tais como a propagação do som, massa específica, perfil de escoamento, e uniformidade de distribuição das partículas suspensas e, atender ao requisito mínimo e máximo de partículas presente no escoamento. Na correlação cruzada são utilizados dois pares de transdutores, posicionados um à montante do outro, estando os transdutores emissores alinhados lado a lado. Os transdutores funcionam continuamente e, quando há a passagem de um vórtice (partícula ou bolha) no primeiro par de transdutores, inicia-se a contagem de tempo até que este mesmo vórtice (mesma partícula ou mesma bolha) seja captado pelo segundo par de transdutores. A partir do tempo decorrido e, conhecendo-se a distância entre os pares de transdutores, a velocidade média do escoamento é estimada. O reconhecimento da mesma partícula, borbulha ou vórtice, que atravessou ambos os pares de transdutores é feito pela relação similar dos picos registrados. Cada uma das técnicas apresentadas possui particularidades quanto aos requisitos de utilização, limitações, vantagens e desvantagens. O Guia (National Measurement System, 2017) explica detalhadamente cada uma dessas técnicas e fornece instruções para a instalação dos instrumentos. O trabalho de (Sanderson, Yeung, 2002) fornece a comparação com os outros princípios de medição. [4]

26 Determinação da velocidade por tempo de trânsito Como mencionado anteriormente, a técnica de tempo de trânsito é a mais empregada nos instrumentos ultrassônicos, pelo melhor desempenho em comparação com as demais. O seu princípio de funcionamento é baseado na diferença de tempos de trajeto, exibido pela figura 2, e o seu cálculo é descrito na norma API MPMS 5.8 (exclusiva para medidores ultrassônicos). No qual: v L t t 2D t t (1) i. v corresponde à velocidade média axial; ii. iii. iv. L D t 12 é a distância entre os transdutores; é o diâmetro interno da tubulação; refere-se ao tempo de trajeto do feixe ultrassônico do transdutor 1 v. ao transdutor 2; t 21 é o tempo de trajeto do feixe ultrassônico do transdutor 2 ao transdutor 1 Figura 2: Esquema do processo de medição de vazão com medidor ultrassônico por tempo de trânsito. Fonte: Adaptado de (Weber, 2003) [5] Para melhor entendimento da figura 2 sobre o tempo em que o feixe demora para ir do transdutor 1 ao 2 e vice-versa, pode ser feita a analogia da travessia de um barco entre as margens de um rio. Nessa situação, o barco levará menos tempo

27 27 para atravessar as margens quando estiver no mesmo sentido da corrente de água, e demorará mais tempo quando estiver contra a corrente. Assim, a diferença entre os tempos de travessia é proporcional à velocidade de escoamento do rio, o que também ocorre no cálculo da vazão quando se utiliza transdutores ultrassônicos. A figura 3 exemplifica a diferença nos tempos decorridos com as formas de onda captadas pelos transdutores. Figura 3: Forma de onda na medição por princípio de tempo de trânsito. Fonte: Adaptado de (National Measurement System, 2017) [4] 2.3. Definição da vazão Para obter o valor da vazão deve-se integrar a velocidade axial do escoamento em torno da área transversal da tubulação. Q v da (2) Com o intuito de simplificar a análise, é suposto que a velocidade axial do fluido em toda a área do escoamento é constante, resultando em uma integral dada pela simples multiplicação da velocidade pela área interna da tubulação. Contudo, tal simplificação não representa a realidade, pois o perfil de escoamento não é uniforme ao longo da tubulação. De forma a contornar tal situação, os fabricantes utilizam fatores de correção para compensar os desvios presentes no perfil de escoamento do fluido. De acordo com estudos divulgados, quanto maior o número de trajetórias em funcionamento no medidor ultrassônico, maior é a varredura no perfil de velocidade do escoamento e mais próximo será o valor medido do valor real. De acordo com Nikuradse e Reichardt, citados por (Weber, 2003), se o local planejado para a instalação do medidor atender às especificações das normas e apresentar um

28 28 escoamento desenvolvido, apenas uma trajetória é suficiente para a obtenção de uma medição razoável. A figura 4 demonstra como as trajetórias do feixe ultrassônico se propagam internamente e como ocorre a detecção do perfil de velocidade do fluido, uma vez que cada feixe faz a medição de velocidade naquela determinada camada do escoamento em que cruza. Figura 4: Layout dos feixes ultrassônicos de um medidor com múltiplos canais. Fonte: Adaptado de (Weber, 2003)[5] No caso de um escoamento desenvolvido a utilização de um medidor com trajetória única é classificada como razoável. Já para o escoamento em desenvolvimento é aconselhável a utilização de um medidor com múltiplos feixes ultrassônicos. Evidentemente, quanto maior for o número de canais, maior o valor do medidor no mercado, pois o número de canais também está associado ao número de transdutores do instrumento Classificação de medidores Existem diferentes disposições para montagem de medidores em tubulações, sendo para cada instrumento atribuída uma classificação. Quando o sensor está inserido no meio, ocorrendo contato direto, este é classificado como invasivo. E, se a disposição do sensor impacta a medição de alguma forma, este é classificado como intrusivo. Analogamente, os contrários são classificados como não-intrusivo e não-invasivo, totalizando 4 possibilidades de classificação. A figura 5 descreve os tipos possíveis de classificação dos medidores.

29 29 Figura 5: Classificação de instrumentos. Fonte: Adaptado de (National Measurement System, 2017) O medidor ultrassônico de vazão clamp-on é classificado como não-invasivo e não-intrusivo, justamente por seu acoplamento ocorrer do lado externo da tubulação. Já os medidores ultrassônicos convencionais são considerados invasivos e não intrusivos, o mesmo tipo utilizado neste trabalho como o medidor de referência. Ademais, os medidores invasivos podem ser apontados como retraídos, faceados e intrusivos, representados pela figura 6. Figura 6: Representação do contato entre transdutor e fluido. Fonte: (NBR 16198, 2013) [6] 2.5. Medidor de vazão ultrassônico do tipo clamp-on Por se tratar de um medidor acoplado externamente à tubulação, este tipo de medidor é mais suscetível a flutuações no valor efetivo de medição. Um dos causadores desta instabilidade é o meio em que o feixe ultrassônico se propaga, e para corrigir este tipo de perturbação a Lei de Snell é aplicada. Por definição, todo tipo de onda sofre um desvio angular ao passar de um meio a outro com diferentes índices de refração. Como apresentado na figura 7, o

30 30 feixe de ultrassom atravessa três diferentes meios que possuem índices de refração distintos (α, β e θ). Figura 7: Refração do feixe ultrassônico nos diferentes meios. Fonte: Adaptado de (National Measurement System, 2017) A equação resultante da aplicação da Lei de Snell para o instrumento medir vazão pelo princípio ultrassônico, do tipo clamp-on, é: Sendo que: sin sin sin (3) c c c i. c é a velocidade do feixe de som dentro do invólucro do transdutor, fornecida pelo fabricante; ii. c é a velocidade do feixe de som no material da tubulação (no presente trabalho é aço inox); iii. c é a velocidade do feixe de som no fluido Orientação dos transdutores Como se trata de um medidor móvel, sem instalação fixa dos transdutores, há diversas orientações possíveis para o acoplamento dos transdutores em torno da tubulação. No entanto, o fabricante de cada instrumento sugere as orientações que devem ser utilizadas. Outro ponto importante deste tipo de medidor é que podem ocorrer variações quanto ao modo de propagação dos feixes de ultrassom, podendo ser de modo direto ou modo reflexivo. Segundo (Funck e Baldwin, 2012), a utilização de trajetórias em diferentes planos reduz o impacto de assimetria no perfil

31 31 do escoamento causados pelos distúrbios na tubulação. A figura 8 exemplifica dois tipos de orientações mais comuns na utilização do clamp-on com 2 pares de transdutores. Figura 8: Instalação dos transdutores em volta da tubulação com configuração (a) reflexiva em dois planos e (b) direta em apenas um plano. Fonte: (Funck e Baldwin, 2012) Assim como é mencionado por (Funck e Baldwin, 2012), a vantagem da utilização dos transdutores em configuração de trajetórias reflexivas é que as componentes não axiais da velocidade do escoamento são compensadas. Isso ocorre por causa do efeito não axial do escoamento nos dois trajetos do feixe, o primeiro trajeto sendo do emissor até a superfície do outro lado da tubulação e o outro trajeto da reflexão na tubulação até o transdutor receptor, ambos trajetos captam essa componente axial de velocidade inclusive com a mesma intensidade, mas com sinais opostos e, por isso são compensadas automaticamente. Além disso, foi demonstrado no trabalho de (Ferreira, 2015) que para se obter níveis de incerteza melhores é necessário o uso da média das medições de vazão feito com no mínimo dois pares de transdutores, de maneira que as trajetórias dos feixes ultrassônicos sejam perpendiculares, o que reduz a influência dos componentes não axiais, assim como foi mencionado anteriormente. Levando em conta as análises mencionadas acima, a orientação dos transdutores escolhida para os testes no trabalho foi com os pares dispostos a 45º e 315º em relação ao topo da tubulação, com trajetórias reflexivas dos feixes ultrassônicos.

32 Fórmula da vazão do medidor ultrassônico do tipo clamp-on Por fim, a equação 4 é desenvolvida para utilização dos transdutores em modo reflexivo (NBR 16198, 2013), ou seja, a análise matemática anterior é complementada, compensando-se algumas simplificações feitas para aproximar o valor da vazão medida do valor da vazão real. Q De forma que: i. Q v v k h c D indica o valor da vazão; c sin t c 16 sin t2 1 (4) ii. D diâmetro interno da tubulação; iii. k h fator de correção que relaciona a velocidade média do escoamento e a velocidade média do feixe ultrassônico; iv. t 1 2 tempo de trânsito do feixe de som do transdutor 1 ao transdutor 2; v. t 2 1 tempo de trânsito do feixe de som do transdutor 2 ao transdutor 1; Muitos fabricantes desse tipo de instrumento não divulgam a exata equação empregada no cálculo, que pode sofrer pequenas variações. Essas modificações são geralmente aplicadas como fatores de correção Estudo desenvolvido pelo fabricante O teste desenvolvido neste trabalho é similar ao que foi realizado pelo próprio fabricante do medidor ultrassônico do tipo clamp-on utilizado. A apresentação divulgada pela Flexim, em (Funck e Liptrot, 2014), mostra o desempenho do medidor para diferentes situações de instalação do medidor de vazão do tipo clamp-on. A figura 9 ilustra o comportamento previsto do erro de medição para a situação de duas curvas na tubulação, como trata-se de uma simulação em um software, representa o desempenho esperado do medidor em uma situação real. A simulação utiliza como parâmetros: número de Reynolds fixo igual a 450 k; rugosidade canais. [9] 4 10 m; e o medidor ultrassônico com 4 trajetórias, equivalente a dois

33 33 Figura 9: Resultado da simulação no CFD divulgado pela Flexim. Fonte: Adaptado de (Funck e Liptrot, 2014). No teste de laboratório conduzido pela Flexim, instalando o medidor após duas curvas na tubulação fora do plano, o resultado apresenta uma pequena oscilação do erro para curtas distâncias de trecho reto. Para maiores distâncias de trecho reto o erro é reduzido, mas ainda assim permanece perto de ± 1 %. Além disso, a figura 10 mostra o resultado dos testes, nos quais também se variou o número de Reynolds. Os resultados simulados e físicos não têm comportamentos semelhantes, mas ambos tendem a erros menores à medida que a distância de trechos retos aumenta.

34 34 Figura 10: Resultado dos testes executados pelo fabricante Flexim. Fonte: Adaptado de (Funck e Liptrot, 2014). O número de Reynolds depende da velocidade média do escoamento, do diâmetro da tubulação e da viscosidade cinemática do fluido. Para efeitos de comparação, o número de Reynolds dos testes executados neste trabalho de dissertação variaram de 0, até 0, , aproximadamente. Com tubulação medindo cerca de 4 polegadas (aproximadamente igual a 101 mm), e a vazão variando de 20 m³/h até 40 m³/h, que significa velocidade média do escoamento de 0,707 m/s até 1,415 m/s.

35 3 Metodologia de avaliação Para a avaliação metrológica do instrumento é necessário utilizar os parâmetros dispostos no VIM (Vocabulário Internacional de Metrologia, 2012) e no GUM (Guia para a expressão de incerteza de medição, 2008) para caracterizar o desempenho do medidor em teste. Ao longo deste capítulo são apresentadas tanto as definições dos parâmetros utilizados, como as equações envolvidas nos cálculos. [7] [8] 3.1. Erro de medição Assim como consta no VIM (Vocabulário Internacional de Metrologia, 2012), sendo evidente pelo nome, o erro refere-se diretamente à subtração entre o valor medido pelo instrumento em teste e o valor adquirido pelo medidor de referência. Por definição, o VIM esclarece que: Diferença entre o valor medido duma grandeza e um valor de referência. Erro V Objeto V Padrão (5) A unidade de resposta será a mesma porém, para termos de comparação, é interessante realizar posteriormente a divisão deste erro pelo valor do padrão. O valor em percentual indica a dimensão do erro sobre o seu valor absoluto, ou seja, é um método de comparação entre valores de ordem diferente Fator do medidor (MF) O fator do medidor é a relação entre as medições do medidor de referência e o medidor em calibração. Esse termo expõe a dimensão do erro entre os medidores. Matematicamente essa relação é a razão dos valores do medidor padrão e do medidor em calibração, assim como é exibido na equação 6. V V Padrão MF (6) Objeto

36 Repetibilidade A repetibilidade indica um valor com base em medições repetidas, no qual se segue o mesmo procedimento de medição. De acordo com o VIM: Condição de medição num conjunto de condições, as quais incluem o mesmo procedimento de medição, os mesmos operadores, o mesmo sistema de medição, as mesmas condições de operação e o mesmo local, assim como medições repetidas no mesmo objeto ou em objetos similares durante um curto período de tempo. NOTA 1 Uma condição de medição é uma condição de repetibilidade apenas com respeito a um conjunto especificado de condições de repetibilidade. NOTA 2 Em química, o termo condição de precisão intrassérie é algumas vezes utilizado para designar este conceito. Para estimar mais realisticamente a repetibilidade a partir de uma amostra finita, o nível de repetibilidade nos testes depende do tempo de integração das amostras para o cálculo da vazão média durante o intervalo de tempo especificado e do número de corridas realizadas durante o teste, muito embora a distribuição t-student tenha sido utilizada. Desta forma, pode-se calcular a média de todas as corridas, supostamente considerada como o valor verdadeiro, e o desvio padrão delas, que multiplicado pelo valor t-student, referente ao número total de corridas menos um, e nível de confiança de 95,45 %, resulta no valor de incerteza do medidor. A figura 11 é exibida para elucidar tais parâmetros com as devidas explicações em seguida. Durante uma calibração feita por um laboratório, o tempo de integração é especificado para cada corrida. No presente trabalho, foi simulada a influência do tempo de integração (t) e do número de corridas (n) sobre a repetibilidade das medições, usando para isto um conjunto de dados de vazão tomados a cada segundo (t = 1) pelo medidor em calibração e o medidor de referência, resultando em um conjunto de N valores médios de cada uma das vazões a cada segundo. A seguir, um tempo de integração (t) é escolhido, de modo que um outro conjunto é formado com os dados iniciais, consistindo de (N/t) elementos para cada vazão. O primeiro destes elementos é calculado como a média aritmética dos (t) primeiros valores de vazão do conjunto inicial, simulando uma corrida onde uma

37 37 vazão média durante um intervalo de tempo (t) é medida. Os outros elementos deste novo conjunto são sucessivamente calculados com os (t) elementos iniciais seguintes. A seguir, a média aritmética, o desvio padrão e a repetibilidade são calculados variando-se o número de elementos deste novo conjunto de n = 3 até n = N/t, simulando o número de corridas que seriam feitas com o mesmo tempo de integração (t) até um número total possível com estes dados de (N/t). Figura 11: Demonstrativo de cálculo e as variáveis envolvidas. Assim como é exibido na figura 11, o tempo de aquisição de cada medição é em torno de 1 segundo, resultando em um total de 30 medições. Com isso, o número total de corridas é igual ao número total de medições realizadas durante o teste, ou seja, n = 30. No caso do tempo de integração ser igual a t = 3 s, o valor do número total de corridas seria igual a n = 10, ou seja, estes dois parâmetros estão ligados ao número de medições do experimento. Nada impede que o usuário escolha um valor inferior para o número total de corridas, uma vez que isso resultaria em menos medições necessárias. A figura 11 aponta justamente essa situação, no qual para um tempo de integração igual a t = 3 s, o número total de corridas é igual a 10

38 38 ( Q 1, 0685m³/h), mas que foi escolhido n = 7, resultando em um valor de i Q i diferente ( Q 1, 0867m³/h). i Na figura 11 também está ilustrado alguns dos parâmetros envolvidos nas equações seguintes como a equação 7, que mostra detalhadamente o cálculo. Onde: Q i 1 n n i 1 Q Q i i 1 t t j 1 q j (7) Q i é a média do total de corridas (média dos valores de n Q i corresponde ao número total de corridas; Q i ); é a média das medições referente ao tempo de integração; t refere-se ao tempo de integração, sendo igual ao número de medições; q j corresponde ao valor de apenas uma medição; O cálculo do desvio padrão é feito a partir do somatório da diferença entre a média do total de corridas e a média de cada integração de amostras. A equação 8 exemplifica cada variável envolvida no cálculo. s n i 1 2 ( Qi Qi ) (8) n 1 O valor de t-student é referente à distribuição estatística, no qual o valor do total de graus de liberdade é igual ao número total de corridas durante o teste subtraído de 1. Baseado no GUM (Guia para a expressão de incerteza de medição, 2008), o presente trabalho utilizou a equação 9 para o cálculo do valor da repetibilidade (R). Assim como está apresentado pela equação, o seu valor é expresso em porcentagem e representa a multiplicação entre o desvio padrão e o valor de t-student e, em seguida dividido pela média do total de corridas encontrada no teste. t s R 100% (9) Q i

39 Incerteza de medição O termo de incerteza de medição tem como definição: Parâmetro não negativo que caracteriza a dispersão dos valores atribuídos a um mensurando, com base nas informações utilizadas. Nota 1 A incerteza de medição inclui componentes provenientes de efeitos sistemáticos, tais como componentes associadas a correções e a valores atribuídos a padrões, assim como a incerteza definicional. Nota 2 O parâmetro pode ser, por exemplo, um desvio-padrão denominado incerteza-padrão (ou um de seus múltiplos) ou a metade da amplitude dum intervalo tendo uma probabilidade de abrangência determinada. Nota 3 A incerteza de medição geralmente engloba muitas componentes. Algumas delas podem ser estimadas por uma avaliação do Tipo A da incerteza de medição, a partir da distribuição estatística dos valores provenientes de séries de medições e podem ser caracterizadas por desviospadrão. As outras componentes, as quais podem ser estimadas por uma avaliação do Tipo B da incerteza de medição, podem também ser caracterizadas por desvios-padrão estimados a partir de funções de densidade de probabilidade baseadas na experiência ou em outras informações. Nota 4 Geralmente para um dado conjunto de informações, subentende-se que a incerteza de medição está associada a um determinado valor atribuído ao mensurando. Uma modificação deste valor resulta numa modificação da incerteza associada. Ou seja, a incerteza de medição de um instrumento possui diversas componentes relativas tanto a avaliações de erro do Tipo A como do Tipo B. No caso deste trabalho, primeiramente é feito a compensação do erro sistemático, e em seguida o cálculo do valor da incerteza. A equação 10 descreve a relação de igualdade entre a incerteza combinada e o desvio padrão de determinado medidor. Assim como a igualdade entre o t-student e o fator de abrangência k, que resulta em uma outra forma de representação da repetibilidade, mas que são iguais. Vale ressaltar que o resultado da repetibilidade como mostrado é dado em valores percentuais.

40 40 u i s U i k u R k u Q i U Q i (10) Onde: s i é o desvio padrão de um medidor; u refere-se a incerteza padrão combinada; U referente a incerteza expandida relativa; O valor verdadeiro de uma grandeza é normalmente desconhecido. Entretanto, pelo menos teoricamente, ele é uma função desconhecida dos valores medidos pelo padrão e pelo objeto (Q = f(qm,qt). A estimativa da sua incerteza de medição pode ser obtida propagando-se as incertezas tanto do medidor de referência como do medidor em teste, o Caldon e o clamp-on respectivamente. u 2 Q u QM M 2 Q u QT T 2 (11) Como o valor médio do medidor de referência deve se aproximar do valor verdadeiro, pois o mesmo fora calibrado contra padrões hierarquicamente superiores, minimizando o erro sistemático, o coeficiente ( aproximadamente igual a 1, pois Q / Q M Q Q. Já o outro coeficiente ( M média aproximadamente igual ao fator do medidor médio ( Q Q / Q Q Q MF Q T. Assim: padrão ( Q u 2 u M 2 Q Q M T u T 2 MF Q ) é em média M / Q T T ) é em ). Pois (12) Dividindo ambos os lados pelo valor verdadeiro, que é igual ao valor do = Q M ) e, também multiplicando os dois lados pelo valor de t-student, é alcançada a forma de equação mais usual, a equação 13. O valor de t-student é obtido através da distribuição estatística, no qual o valor do total de graus de liberdade é igual ao número total de corridas durante o teste subtraído de 1. U Q t u Q M M 2 t u QT T 2 (13) Utilizar o valor de incerteza de medição do medidor de referência, valor fixo entregue no certificado de calibração, aparentemente seria o mais indicado para o termo de repetibilidade do padrão ( t um / Q ). A princípio, este valor divulgado M

41 41 pelo fabricante certamente foi obtido através de testes controlados no qual se manteve constante a grandeza em medição. No entanto, de acordo com os testes executados nesta dissertação, foi constatado que a vazão do escoamento não permaneceu constante, tendo flutuações de vazão, tanto do medidor de referência como do em teste, que tendem a aumentar o desvio médio quadrático das flutuações. A estimativa da repetibilidade do valor do medidor em calibração, se o escoamento não tivesse flutuações, conforme condições de calibração do medidor de referência, pode ser feita usando a equação de definição do fator do medidor ( Q Q / Q ). Para um valor verdadeiro (Q ) constante, e propagando-se a incerteza de medição, a repetibilidade do fator do medidor ( t u MF / Q medidor em calibração ( t u T / Q T ). MF MF ) é igual à repetibilidade do Considerando que a relação entre o valor verdadeiro de vazão ( Q ) e o valor indicado pelo objeto ( Q T a repetibilidade do fator do medidor ( t u MF / Q ) não seja afetada por pequenas flutuações do escoamento, MF ) permanece constante. Durante uma calibração, com pequenas flutuações do escoamento, calcula-se a repetibilidade do fator do medidor e supõe-se que ela permaneça a mesma quando na ausência de instabilidades no escoamento. Este valor é igual à repetibilidade do objeto, que quando substituído na equação 13, e usando o valor de certificado da incerteza de medição com o medidor de referência ( U M ), obtém-se uma estimativa da incerteza de medição de vazão com o objeto se o escoamento não tivesse flutuações. U Q U Q M M 2 t u Q MF MF 2 T (14)

42 4 Procedimento experimental Neste capítulo é apresentada a estrutura utilizada assim como o procedimento dos testes realizados no trabalho. O laboratório está localizado na PUC-Rio e é utilizado para avaliação de desempenho funcional e metrológico de instrumentos de medição. E segundo consta no Regulamento Técnico Metrológico (Portaria Conjunta ANP/Inmetro, 2013), a calibração de um medidor de vazão deve ser realizada em um laboratório acreditado ou na própria instalação utilizando um padrão definido pela ANP, seja um tanque, um provador por deslocamento ou um medidor padrão. [3] Para as calibrações realizadas em campo, o RTM determina que as normas técnicas, API (American Petroleum Institute) capítulo 4 e as da série ISO 7278, sejam obedecidas. Determina-se também que as condições de calibração sejam similares àquelas de operação (faixa de vazão, pressão, temperatura, densidade e viscosidade). Por esse motivo, o objetivo do teste é reproduzir a situação em que o medidor de campo esteja instalado em local inapropriado para a realização das medições segundo a norma. Para utilizar o medidor clamp-on como padrão itinerante, é necessário primeiramente calibrá-lo em um local similar ao que funcionará. Os testes buscam identificar a magnitude do impacto gerada nas medições diante da localização do medidor clamp-on. Os resultados adquiridos são baseados na comparação dos valores medidos pelo medidor de referência e o medidor em teste Bancada de testes Concepção A bancada de testes se baseou no mesmo arranjo que havia no Laboratório de Avaliação Metrológica e Energética (LAME) no antigo local na PUC-Rio, assim como está descrito no trabalho de (Ferreira, 2015). Como foram feitas algumas modificações em relação à estrutura inicial, foi elaborado um desenho esquemático em 3D do projeto final da bancada de testes, exemplificado pelas figuras 12 e 13.

43 43 Figura 12: Esquema do conceito da bancada de testes, vista lateral. Figura 13: Esquema do conceito da bancada de testes, vista isométrica. Grande parte da linha foi projetada para ser suspensa para o aproveitamento do espaço físico do laboratório. Os equipamentos essenciais para os testes estão representados, sendo eles: a bomba, os tanques, as válvulas e o medidor padrão. O local de instalação do medidor clamp-on varia ao longo deste trecho de linha, logo após as curvas na tubulação que causam a mudança de direção do escoamento, assim como está exemplificado na figura 14.

44 44 Figura 14: Variação do local de instalação do medidor tipo clamp-on. Como pode ser visto, o escoamento sofre no total 6 tipos de mudança de direção, sendo as duas primeiras no mesmo plano com joelhos de 90º, seguidas de mais duas curvaturas de 90º e, por fim, duas curvas próximas de 45º, cada uma em direções opostas. Como o escoamento é perturbado, o perfil do escoamento se torna irregular, não sendo aconselhável a instalação de nenhum instrumento de medição à jusante deste conjunto de desvios na tubulação Bancada de testes Estrutura completa Devido ao amplo espaço necessário para a instalação do loop de teste, o laboratório ficou dividido em duas salas. Em uma delas está a casa de máquinas onde todo maquinário pesado e com alta poluição sonora está localizado, como a bomba, os tanques, os compressores de ar e as válvulas. Apesar desta sala ser mais compacta, todos os equipamentos foram devidamente instalados conforme projetado, figura 15.

45 45 Figura 15: Vista aérea da casa de máquinas. Na outra sala estão localizados os medidores e boa parte da tubulação com trechos retos, assim como mostram as figuras 16 e 17. Este ambiente é mais amplo e silencioso e foi utilizado para a execução dos testes, captação dos dados, análise crítica e conclusão de relatórios. Figura 16: Vista do loop de teste na área interna do laboratório. Parte 1.

46 46 Figura 17: Vista do loop de teste na área interna do laboratório. Parte Circuito hidráulico O processo tem início em um dos tanques, no qual o fluido contido é admitido pela bomba e segue ao longo da tubulação. Após certa distância percorrida é feita a medição da vazão pelo Caldon e pelo clamp-on e, a partir disso, o fluido segue para o outro tanque. À medida que o sistema opera, um tanque esvazia e o outro enche e, para evitar esvaziamento completo ou transbordamento, há um circuito eletrônico com sensores de nível que aciona as válvulas de modo que se alterne o fluxo de um tanque para o outro. Resumidamente, o experimento transfere o fluido de um tanque para o outro, semelhante ao realizado no trabalho de (Ferreira, 2015). O fluido utilizado ao longo dos testes foi a água e toda tubulação do sistema é de aço inox. Normalmente, o experimento seguiria o procedimento descrito, mas através dos testes preliminares descobriu-se que a bomba utilizada não alcançava vazão superior a 32 m³/h, devido ao diferencial de pressão à montante e à jusante da bomba. À medida que um dos tanques esvazia, o outro enche, aumentando-se o diferencial de pressão entre eles. Contudo por limitação a bomba opera somente até um P igual à 6 bar, como consta no manual anexo B. Visando operar com vazões até 40 m³/h foi realizada uma pequena alteração no circuito hidráulico. Todas as válvulas foram mantidas abertas de modo que todo o circuito operasse em ciclo

47 47 fechado. Desta maneira, a água sai de ambos os tanques e continua percorrendo o circuito, não mais de um tanque para o outro. Assim, o nível de ambos os tanques se mantém o mesmo. Os componentes essenciais para medição envolvidos no trabalho são: 4.4. Medidores utilizados Medidor ultrassônico Caldon 280Ci Cameron, com 8 trajetórias acústicas, de hierarquia metrológica superior ao clamp-on, possuindo incerteza inferior a 0,2%, valor extraído de acordo com o gráfico do certificado em anexo. O Caldon possui portaria de aprovação de modelo emitida pelo Inmetro, em que autoriza a operação do medidor entre 5,9 m³/h e 330 m³/h para diâmetro nominal de 100 mm. Multímetro HP, modelo 34970A possuindo 22 canais expansíveis com leitura de até 6,5 dígitos. Com certificado de calibração na data 22/09/2016, presente no anexo D. Medidor ultrassônico Flexim tipo clamp-on modelo F608 Double Energy, com exatidão de até % e repetibilidade igual a 0,15%, como informa o fabricante. Opera com até 3 trajetórias por par de transdutor utilizando-o em modo reflexivo. O medidor clamp-on empregado no trabalho é do fabricante Flexim, modelo FLUXUS 608, e pode ser visualizado na figura 18. Figura 18: Medidor ultrassônico de vazão. Fonte: Flexim

48 48 Assim como é apresentado na equação 4 de vazão do medidor clamp-on, diversos parâmetros devem ser configurados no aparelho transmissor para iniciar o processo de medição. Abaixo são listados alguns parâmetros solicitados pelo equipamento: a. Diâmetro da tubulação b. Tipo de material da tubulação c. Tipo de fluido de trabalho d. Tipo de funcionamento dos feixes e. Número de trajetórias utilizadas f. Distância entre os transdutores Este modelo dispõe de 2 canais de medição, A e B, e no medidor é possível configurar de maneira a obter o valor da média ou da subtração entre os dois canais. Assim como é recomendado pela norma BS 8452, e foi comprovado pelo estudo de (Ferreira, 2015), a média dos canais com montagem perpendiculares podem melhorar os níveis de exatidão das medições, e por isso a escolha de utilizar a média entre as medições. Na figura 19 é apresentado o medidor de vazão Caldon 280Ci, sendo este o medidor de referência utilizado no trabalho. Figura 19: Medidor de vazão ultrassônico com 8 canais, Caldon 280C. Fonte: Cameron O medidor da figura 19, este é um medidor do tipo spool, trecho de tubulação solidário ao instrumento, e que possui esse nome pois remete à aparência de um carretel. Como este instrumento é desenvolvido sob encomenda, o mesmo tem o diâmetro interno da tubulação previamente estabelecido, assim como o tipo de material empregado. Além disso, este medidor opera com 8 canais que totalizam 8

49 49 trajetórias de feixes ultrassônicos, conferindo ainda mais confiança nos resultados de medição. Ambos os medidores, clamp-on e Caldon, permitem o acompanhamento das medições através de uma conexão com o computador. No presente trabalho, além da comunicação com o computador, utilizou-se também o multímetro HP para a aquisição de sinais em tempo real de ambos os medidores, já que cada um deles gera diferentes tipos de sinais de saída. O medidor clamp-on do fabricante Flexim utiliza sinal de saída em corrente elétrica (4 ma a 20 ma), enquanto o medidor de referência Caldon tem como saída um sinal em frequência (Hz). A finalidade do multímetro HP é manter um denominador comum de registro de dados dos dois medidores, realizando as leituras de cada um em instantes de tempo muito próximos e com erros de aquisição similares. A figura 20 mostra um exemplar do mesmo modelo ao que foi empregado Procedimento dos testes Figura 20: Multímetro HP modelo 34970A de 6,5 dígitos. Fonte: Hewlett Packard Primeiramente, foi realizado um teste com o multímetro HP para verificar se os valores de leitura estavam próximos aos valores injetados (simulados) pelo medidor clamp-on. O medidor clamp-on da Flexim tem uma função disponível em que é possível simular um sinal de saída dado um valor de entrada em m³/h. Para isso devem ser introduzidos os pontos equivalente a 0 m³/h e ao máximo 50 m³/h, correspondentes à saída em corrente elétrica de 4 ma e 20 ma. Para qualquer valor intermediário é realizada uma interpolação. Escolhidos os pontos de referência do teste em unidade de vazão (m³/h), o transmissor deve enviar o sinal de saída proporcional, e os valores medidos pelo

50 50 multímetro HP devem se aproximar dos valores teóricos esperados. O multímetro permaneceu monitorando dois canais referentes ao medidor Flexim durante 5 minutos, gerando um pouco mais de 250 medições dos dois canais de corrente elétrica do multímetro. A Tabela 1 exemplifica os valores escolhidos, os valores teóricos esperados, e os erros obtidos para cada um dos dois canais. Tabela 1: Erros em corrente elétrica do teste preliminar do medidor clamp-on no multímetro HP. Vazão de Referência Canal A Canal B Referência (m³/h) corrente elétrica (ma) Média (ma) Erro (ma) Média (ma) Erro (ma) 0 4 4, , , , ,2 7, , , , ,4 10, , , , ,6 13, , , , ,2 15, , , , ,8 16, , , , , , , ,00223 Os valores de média de corrente elétrica e vazão de referência servem de correlação entre o valor da corrente elétrica captada pelo multímetro e o valor efetivo da vazão, já com as devidas correções. Para obter o valor de erro em m³/h é aplicado a conversão, onde 0 m³/h equivale a 4 ma e, 50 m³/h corresponde a 20 ma. E assim como é apresentado na Tabela 2, mesmo com os valores de erro em corrente elétrica serem próximos de zero, o impacto no valor de vazão é considerável em determinadas faixas, fazendo-se necessário aplicar essa correção. Tabela 2: Erros em m³/h do teste preliminar. Vazão de referência Canal A Canal B (m³/h) Erro (m³/h) Erro (m³/h) 0 3,50792E-07-3,25937E ,18119E-05 7,01208E , ,21092E ,6523E-05-0, ,38652E-05-0, ,42528E-06-0, , ,

51 51 Em seguida foi realizada a calibração do medidor clamp-on para confirmar se os valores medidos estão de acordo com os valores do medidor de referência. Nesse teste o clamp-on foi instalado com 27 DN (diâmetros nominais) de trecho reto à montante e 14 DN de trecho reto à jusante das curvas. A princípio estas distâncias pareciam seguras quanto à uma possível presença de irregularidade no perfil do escoamento, mas foram detectadas certas divergências nas leituras dos dois canais do medidor Flexim. Com isso foi realizada uma nova bateria de testes para confirmar se o escoamento realmente ainda se encontrava em desenvolvimento. Assim sendo, o novo teste ocorreu com a localização dos canais invertidas, ou seja, onde estava localizado o canal A passou a ser o canal B e vice-versa. A figura 21 demonstra como ficou a disposição dos transdutores em cada uma das situações, assim como o sentido do escoamento para elucidar a vista do desenho. Figura 21: Posicionamento dos transdutores em cada um dos testes localizados 27 DN à montante do medidor de referência. O resultado obtido nesse teste preliminar de calibração confirmou que há irregularidades no perfil do escoamento neste local onde os transdutores estão instalados, com desvio padrão em média igual a 0,45 m³/h. Em virtude disso, foi realizado outro teste onde o medidor clamp-on ficou instalado com cerca de 50 DN de trechos retos à montante e 20 DN à jusante das curvas, sem que houvesse nenhum tipo de influência externa, localização ideal para operação assim como recomenda o fabricante.

52 52 Nesse último teste de calibração os valores de vazão indicados pelos canais A e B do medidor clamp-on se aproximaram, consequentemente reduziu-se o desvio padrão das medições (média de 0,06 m³/h). Sustentando a ideia de que neste local onde o medidor está instalado o fluxo apresenta perfil de escoamento completamente desenvolvido. Para processamento dos dados obtidos foi desenvolvido um trecho de código em Visual Basic que realiza essas correções e também a conversão de corrente elétrica para metros cúbicos por hora. O diagrama da figura 22 demonstra o funcionamento do código. Dada a entrada, a leitura do sinal de corrente elétrica do medidor, o sistema gera como saída o valor em metros cúbicos por hora já com as devidas correções. Figura 22: Fluxograma de correção do valor de leitura do clamp-on. Após definida a posição de orientação dos canais do medidor clamp-on em volta da tubulação, e já com todo o sistema de correção de medições integrado, é prosseguiu-se para a etapa de testes, onde foi variada a posição axial de instalação do medidor clamp-on ao longo da tubulação após seguidos trechos de curvas na tubulação. O segundo teste foi realizado com trecho reto de 1 DN, e os seguintes com 5 DN, 10 DN, 15 DN, 20 DN, 30 DN e 40 DN em relação ao final das curvas na tubulação. Para cada localização foram realizadas 7 corridas de medição para os valores de vazão determinados e com intervalo de tempo fixado em 2 horas cada. Ou seja, para cada posicionamento do medidor foram realizados no mínimo 14 horas de medição, totalizando ao final 112 horas de testes.

53 5 Resultados 5.1. Repetibilidade A execução de testes teve início com a instalação do medidor clamp-on à jusante dos trechos de curva e emendas de solda na tubulação, ou seja, disposto após determinada distância de trechos retos sem elementos causadores de distúrbio no escoamento. A figura 23 apresenta os valores de repetibilidade do fator do medidor (MF) como função do tempo de integração para diversos números de corridas. Pode-se observar que a repetibilidade tende assintoticamente para um valor aproximadamente constante. Para fins de comparação, as variáveis envolvidas, repetibilidade e incerteza, utilizam como base tempo de integração igual a 180 segundos. Para este tempo os testes resultaram em no mínimo 15 corridas, o que significa que cada teste teve pelo menos 2700 leituras. Esses valores foram definidos com base no resultado de diversos testes. Para exemplificar o comportamento da curva de repetibilidade da vazão e permitir a escolha dos melhores valores dos parâmetros, é exibido o resultado de um teste onde o medidor clamp-on foi instalado a 41 DN de trecho reto à montante das curvas na tubulação e mais de 10 DN de trecho reto à jusante. A figura 23 foi construída a partir das leituras do teste com vazão nominal igual a 35 m³/h e a aplicação da equação 9, cálculo da repetibilidade. Pode ser observado que à medida que o tempo de integração aumenta o valor da repetibilidade melhora, indicando que um tempo de integração mais elevado seria mais adequado para comparações. É possível observar também que todos os pontos sofrem oscilações, sendo que determinadas corridas apresentam maiores oscilações e outras menores. Nota-se também que existe certa convergência dos pontos para um valor, e quando o tempo tende ao infinito a curva converge para um valor limite denominado assíntota. Isso quer dizer que mesmo executando um teste durante um período muito longo o resultado da precisão intermediária tenderia a assíntota. Pode-se observar também que pelo menos 10 corridas são necessárias para que os

54 Repetibilidade (%) 54 valores do fator do medidor (MF) convirjam para aproximadamente os mesmos valores. 3,50 Repetibilidade do fator do medidor versus Tempo de Integração (41 DN - 35 m³/h) 3,00 2,50 2,00 1,50 1,00 0 0, Tempo de Integração (s) Numero de corridas 3 Numero de corridas 5 Numero de corridas 10 Numero de corridas 15 Numero de corridas 20 Figura 23: Curva de repetibilidade do fator do medidor (MF) de acordo com o tempo de integração. Para determinação dos valores ótimos dessas variáveis como: tempo de integração, o número de corridas e o valor de repetibilidade, é necessário que haja certo equilíbrio entre eles. Escolher somente de acordo com elevados tempos de integração não é ideal pois, apesar do valor de repetibilidade estar convergindo para o valor da assíntota, o número de corridas pode ser insuficiente ao ponto de que ainda esteja sofrendo oscilações. O mesmo pode ser dito para um número de corridas elevado que apresenta tempo de integração baixo e resulte em valores altos de repetibilidade. Em virtude disso, o tempo de integração de 180 segundos em conjunto com número de corridas entre 15 e 10 foi considerado razoável pelo que foi constatado nos testes. O mesmo procedimento foi constatado no comportamento da incerteza. As figuras 24, 26, 28, 30, 32, 34, 36 e 38 apresentam o local físico de instalação do medidor clamp-on na tubulação em que cada um dos testes. Já as figuras 25, 27, 29, 31, 33, 35, 37 e 39 mostram os gráficos de repetibilidade da vazão para o medidor Caldon, o medidor clamp-on e o fator do medidor. O objetivo

55 55 de mostrar a repetibilidade do fator do medidor (MF) é identificar variações nas medições que tenham sido causadas por efeitos externos, que ao mesmo tempo geram flutuações nas medições tanto no Caldon como no clamp-on. Se não houvesse essas variações, o valor da repetibilidade do fator do medidor seria igual ao do clamp-on Medidor com 1 diâmetro nominal de trecho reto à montante A figura 24 evidencia que, no local onde o instrumento está instalado, as medições sofrem impacto direto provocado pelas curvas adjacentes. Assim como também se espera que, à medida que o medidor clamp-on se distancie dos acidentes na tubulação, as medições tendam ao valor do medidor de referência e a variação entre as medições reduzam. Figura 24: Testes com medidor instalado com 1 DN de trecho reto. O resultado do cálculo de repetibilidade para cada componente separadamente pode ser observado na figura 25. Note que para determinadas vazões o valor de repetibilidade do medidor de referência (Caldon) é bem mais alto do que o indicado pelo fabricante que é de 0,2 % para a faixa em operação. Pode-se observar também que a repetibilidade do fator do medidor (MF) está na maioria das vezes entre o do medidor objeto e e o medidor de referência e, outra constatação é de que a do medidor de referência é sempre maior ou bem próximo de 0,2 %.

56 Repetibilidade (%) 56 0,8 Repetibilidade vs Vazão 0,7 0,6 0,4 0,3 0,2 0, Vazão nominal (m³/h) Meter factor Flexim Caldon Figura 25: Repetibilidade para cada vazão nominal de teste a 1 DN de trecho reto Medidor com 5 diâmetros nominais de trechos retos à montante Figura 26: Testes com medidor instalado à montante com 5 DN de trechos retos.

57 Repetibilidade (%) 57 0,8 Repetibilidade vs Vazão 0,7 0,6 0,4 0,3 0,2 0, Vazão nominal (m³/h) Meter factor Flexim Caldon Figura 27: Repetibilidade para cada vazão nominal de teste a 5 DN Medidor com 10 diâmetros nominais de trechos retos à montante Figura 28: Testes com medidor instalado à montante com 10 DN de trechos retos.

58 Repetibilidade (%) 58 Repetibilidade vs Vazão 0,9 0,8 0,7 0,6 0,4 0,3 0,2 0, Vazão nominal (m³/h) Meter factor Flexim Caldon Figura 29: Repetibilidade para cada vazão nominal de teste a 10 DN Medidor com 16,5 diâmetros nominais de trechos retos à montante Por limitação física não foi possível instalar o medidor a distância de 15 DN de trecho reto, pois o suporte de suspensão da tubulação ficou próximo impossibilitando a instalação do trilho do medidor clamp-on. Sendo assim, a instalação foi feita com 16,5 DN de trecho reto. Figura 30: Testes com medidor instalado à montante com 16,5 DN de trechos retos.

59 Repetibilidade (%) 59 Repetibilidade vs Vazão 0,9 0,8 0,7 0,6 0,4 0,3 0,2 0, Vazão nominal (m³/h) Meter factor Flexim Caldon Figura 31: Repetibilidade para cada vazão nominal de teste a 16,5 DN Medidor com 20 diâmetros nominais de trechos retos à montante Figura 32: Testes com medidor instalado à montante com 20 DN de trechos retos.

60 Repetibilidade (%) 60 Repetibilidade vs Vazão 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,4 0,3 0,2 0, Vazão nominal (m³/h) Meter factor Flexim Caldon Figura 33: Repetibilidade para cada vazão nominal de teste a 20 DN Medidor com 29 diâmetros nominais de trechos retos à montante A localização seguinte deveria ser de 30 DN de trecho reto e em seguida 40 DN, mas nessas distâncias há suportes de sustentação da linha e por isso a localização mais próxima para a instalação foi de 29 DN e 41 DN de trecho reto, respectivamente. Figura 34: Testes com medidor instalado à montante com 29 DN de trechos retos.

61 Repetibilidade (%) 61 0,7 Repetibilidade vs Vazão 0,6 0,4 0,3 0,2 0, Vazão nominal (m³/h) Meter factor Flexim Caldon Figura 35: Repetibilidade para cada vazão nominal de teste a 29 DN Medidor com 41 diâmetros nominais de trechos retos à montante Figura 36: Testes com medidor instalado à montante com 41 DN de trechos retos.

62 Repetibilidade (%) 62 0,7 Repetibilidade vs Vazão 0,6 0,4 0,3 0,2 0, Vazão nominal (m³/h) Meter factor Flexim Caldon Figura 37: Repetibilidade para cada vazão nominal de teste a 41 DN Medidor com 50 diâmetros nominais de trechos retos à montante E por último, o teste com o medidor instalado com 50 DN de trecho reto. Figura 38: Testes com medidor instalado à montante com 50 DN de trechos retos.

63 Repetibilidade (%) 63 0,6 Repetibilidade vs Vazão 0,4 0,3 0,2 0, Vazão nominal (m³/h) Meter factor Flexim Caldon Figura 39: Repetibilidade para cada vazão nominal de teste a 50 DN Análise experimental Observando os gráficos anteriores, das figuras 25, 27, 29, 31, 33, 35, 37 e 39, constata-se que, de fato, na maioria dos testes o medidor Caldon possui alta estabilidade nas medições, próximo ao valor de 0,2 %. Nos casos em que a repetibilidade foi superior a este valor, a suspeita é de que a causa seja por conta da variabilidade da vazão do escoamento. Apesar de o medidor clamp-on, em todos os casos, apresentar valor de incerteza superior ao Caldon, seu desempenho ainda assim é satisfatório dependendo da aplicação para o qual é destinado. Em todos os casos o valor de repetibilidade se manteve abaixo de 1 %. A hipótese é de que para os casos em que a repetibilidade do Caldon é superior a 0,2 %, a vazão no loop não esteja constante, causado por algum tipo de instabilidade. Com isso, as duas formas de cálculo da incerteza demonstram a diferença entre uma análise mais conservadora no qual utiliza-se dados reais de repetibilidade dos testes reproduzidos, e a outra que se trata de uma expectativa, no qual utiliza para o cálculo o valor fixo do certificado do Caldon (0,2 %), o que de certa forma é um subdimensionamento do valor de incerteza final. A suspeita é que a ocorrência dessa instabilidade no escoamento seja por conta da bomba. Para comprovação desta hipótese é necessário refazer alguns testes verificando a frequência do eixo da bomba.

64 MF Fator do medidor em função da distância de instalação A figura 40 mostra a evolução do fator do medidor (MF) ao longo das distâncias de localização do medidor. Como esse fator representa a razão entre a vazão do medidor de referência e do clamp-on, ele mostra basicamente o erro sistemático entre eles. Pela figura observa-se certa oscilação para curtas distâncias, e para distâncias acima de 20 DN de trecho reto o valor do fator se mantém entre 5 % e 6 %. Esses valores são relativamente altos, mas como trata-se de um erro sistemático, após a calibração esse tipo de erro é eliminado. Além disso, o certificado de calibração entregue pelo fabricante junto ao medidor não inclui as faixas de vazão testadas. O menor valor de vazão presente no certificado foi de 100 m³/h utilizando tubulação com cerca de 8 polegadas, assim como está descrito no anexo A. Entretanto, no trabalho presente o maior valor de vazão foi de 40 m³/h nominal, menos da metade do que o divulgado pelo fabricante no certificado. 1,070 MF vs Distância de trechos retos 1,065 1,060 1,055 1,050 1,045 1, Distância de trechos retos (DN) 40 m³/h 37,5 m³/h 35 m³/h 32,5 m³/h 30 m³/h 25 m³/h 20 m³/h Figura 40: Valor de fator do medidor ao longo do número de trechos retos em relação as curvas. Baseado nos testes executados em conjunto com os resultados obtidos, instalar o medidor a partir de 20 DN de trecho reto, a curva gera erros de medição com certa estabilidade, embora a magnitude do erro apresentado estar elevada. Tal fato pode estar ligado ao tipo de orientação dos transdutores empregada nos testes. Apesar de ter sido utilizada a orientação recomendada pelo fabricante, o trabalho de (Ferreira, 2015) verificou que a orientação dos transdutores em 45º-315º não é a

65 65 melhor opção de configuração dos transdutores para utilização desse tipo de medidor Incertezas Para cada teste também foi realizado o cálculo da incerteza de medição e, assim como abordado no capítulo anterior, existem duas componentes que integram a equação. A incerteza foi calculada de duas formas: uma utilizando o valor da incerteza do medidor padrão fornecido pelo fabricante (valor fixo de 0,2 %), e o valor da repetibilidade do fator do medidor (MF) resultante do teste (estimativa da incerteza com escoamento sem flutuação); e a outra utilizando os valores de repetibilidade obtidos nos testes tanto do medidor clamp-on como do medidor Caldon (estimativa da incerteza com flutuações no escoamento). O objetivo de calcular dessas duas formas é demonstrar influências externas que estejam afetando a medição, e que dependendo da escolha da equação utilizada os valores de incerteza podem estar sendo subdimensionados. A figura 41 exemplifica o comportamento das curvas para cada uma das formas calculadas, sendo a curva denominada como FATOR (equação 14) referente ao cálculo que utilizou os valores de repetibilidade fixo para o Caldon (0,2 %) e o calculado para o fator do medidor (estimativa da incerteza com escoamento sem flutuação). E a curva MEDIDOR (equação 13) refere-se ao resultado da incerteza calculado para cada componente, do Caldon e do clamp-on (estimativa da incerteza com flutuações no escoamento).

66 Incerteza (%) 66 2,5 Incerteza de Medição versus Tempo de Integração 41 DN - 35 m³/h 2,0 1,5 1,0 0, Tempo de Integração MEDIDOR FATOR Figura 41: Curva de incerteza combinada ao longo do tempo de integração. Vale ressaltar que se não houvesse flutuação do escoamento, os valores de incerteza tanto da curva MEDIDOR (equação 13) como da curva FATOR (equação 14) seriam iguais. Ao final da dissertação, no anexo E, estão disponíveis o mesmo tipo de gráfico para cada um dos testes realizados, sendo possível visualizar o impacto na incerteza dos testes que sofreram influência do escoamento. Além disso, pelas figuras 41 e as que estão no anexo E, que representam o valor de incerteza em função do tempo de integração, é constatado que utilizando um tempo de integração igual ou maior que 100 segundos já é possível, seguramente, obter valores de incerteza abaixo de 1 %, o que é adequado para a calibração de medidores operacionais. Em seguida, as figuras 42, 43, 44, 45, 46, 47 e 48 ilustram os resultados de incerteza do medidor clamp-on de acordo com a variação axial do medidor em teste. Para cada vazão nominal é designado o gráfico de incerteza que mostra o resultado do cálculo da incerteza utilizando as duas fórmulas de cálculo da incerteza citadas anteriormente, equações 13 e 14. A primeira utilizando os termos do medidor de referência e o medidor em teste com os valores obtidos no próprio experimento (estimativa da incerteza com flutuações no escoamento), e a outra forma usando o valor do fator do medidor junto com o valor fixo do medidor padrão de 0,2% (estimativa da incerteza com escoamento sem flutuação). No mesmo gráfico é

67 Incerteza (%) Incerteza (%) 67 exibido também o valor de repetibilidade do medidor de referência, Caldon. Isso permite visualizar os testes que sofreram com a instabilidade do escoamento Vazão de 40 m³/h 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,4 0,3 0,2 0,1 0 Incerteza vs Distância de trechos retos - 40 m³/h Distância de trechos retos (DN) Caldon Flexim MF Figura 42: Valor de incerteza em função da posição do medidor ao longo da Vazão de 37,5 m³/h tubulação para vazão nominal de 40 m³/h. 0,9 0,8 0,7 0,6 0,4 0,3 0,2 0,1 0 Incerteza vs Distância de trechos retos - 37,5 m³/h Distância de trechos retos (DN) Caldon Flexim MF Figura 43: Valor de incerteza em função da posição do medidor ao longo da tubulação para vazão nominal de 37,5 m³/h.

68 Incerteza (%) Incerteza (%) Vazão de 35 m³/h 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,4 0,3 0,2 0,1 0 Incerteza vs Distância de trechos retos - 35 m³/h Distância de trechos retos (DN) Caldon Flexim MF Figura 44: Valor de incerteza em função da posição do medidor ao longo da Vazão de 32,5 m³/h tubulação para vazão nominal de 35 m³/h. 0,9 0,8 0,7 0,6 0,4 0,3 0,2 0,1 0 Incerteza vs Distância de trechos retos - 32,5 m³/h Distância de trechos retos (DN) Caldon Flexim MF Figura 45: Valor de incerteza em função da posição do medidor ao longo da tubulação para vazão nominal de 32,5 m³/h.

69 Incerteza (%) Incerteza (%) Vazão de 30 m³/h 0,9 0,8 0,7 0,6 0,4 0,3 0,2 0,1 0 Incerteza vs Distância de trechos retos - 30 m³/h Distância de trechos retos (DN) Caldon Flexim MF Figura 46: Valor de incerteza em função da posição do medidor ao longo da Vazão de 25 m³/h tubulação para vazão nominal de 30 m³/h. 0,8 Incerteza vs Distância de trechos retos - 25 m³/h 0,7 0,6 0,4 0,3 0,2 0, Distância de trechos retos (DN) Caldon Flexim MF Figura 47: Valor de incerteza em função da posição do medidor ao longo da tubulação para vazão nominal de 25 m³/h.

70 Incerteza (%) Vazão de 20 m³/h 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,4 0,3 0,2 0,1 0 Incerteza vs Distância de trechos retos - 20 m³/h Distância de trechos retos (DN) Caldon Flexim MF Figura 48: Valor de incerteza em função da posição do medidor ao longo da tubulação para vazão nominal de 20 m³/h Comparação com o estudo do fabricante Assim como foi mencionado anteriormente, os testes realizados neste trabalho e os testes executados pela Flexim foram similares, mas não foram idênticos. E, assim como foi divulgado pela Flexim, o resultado obtido neste trabalho também confirma que o comportamento do erro é elevado para curtas distâncias de localização do medidor, apesar da magnitude deste erro ser um pouco maior do que do fabricante. Essa diferença de amplitude do erro pode ter sido causada pelo maior número de curvas na tubulação do circuito de testes desta dissertação, afinal como são testes fisicamente diferentes os resultados têm algumas distinções. Além disso, para a faixa de velocidade testada nesta dissertação, o certificado do fabricante indica um valor de incerteza elevada, de forma que, para atingir o menor valor de incerteza do medidor, equivalente a pouco menos de 1,5 %, como mostra o anexo A, a velocidade do escoamento deveria estar acima de 5 m/s.

71 6 Conclusões e orientações futuras Em suma, o objetivo desta dissertação de mestrado foi estudar os impactos na medição de vazão utilizando um medidor do tipo clamp-on com dois canais em local inapropriado, e com base nesses valores analisar possível empregabilidade do mesmo como um padrão itinerante para calibração de outros medidores que se encontrem nessas mesmas condições Conclusões A revisão bibliográfica proporcionou a comparação entre os testes executados neste trabalho com os resultados divulgados pelo fabricante. Muito embora os testes abordados nos dois trabalhos sejam ligeiramente diferentes, foi possível verificar o funcionamento e desempenho do medidor para situações similares. Considerando os resultados dos testes é razoável afirmar que, para instalações do medidor clamp-on acima de 20 DN de trecho reto o desempenho metrológico do medidor é mantido e pode ser empregado para determinados fins, como a calibração de medidores operacionais. O resultado obtido quanto ao erro sistemático nos testes teve um resultado fora do esperado em termos de magnitude, entretanto, além do certificado do fabricante não abordar a faixa de vazão utilizada no teste, a orientação dos transdutores empregada e recomendada pelo fabricante pode não ser a melhor. Esses fatores podem ser determinísticos para os valores de erro obtidos nos testes, mas que de qualquer forma após a devida calibração do medidor este tipo de erro deve ser minimizado. No caso da incerteza de medição, considerada a instabilidade das medições, os valores se mostraram abaixo de 0,9 % para os piores casos. Isto se verificou mesmo para valores de velocidade abaixo de 1,5 m/s, o que de acordo com o certificado de calibração fornecido pela Flexim resultaria em incerteza superior à 2 %. Dessa maneira, dependendo da aplicação, o medidor pode ser considerado uma

72 72 alternativa para calibração de outros medidores já dispostos em linha. Embora as incertezas de medição encontradas apresentem valores superiores ao limite permitido pelo Regulamento Técnico de Medição (0,3 %) para transferência de custódia e medições fiscais, o medidor clamp-on pode ser considerado como uma alternativa para medições operacionais. No presente trabalho também foi investigada a influência da flutuação do escoamento sobre a incerteza de medição. Foi concluído que o uso do fator do medidor (MF) pode minimizar estes efeitos, estimando mais realisticamente a incerteza de medição como se a vazão do escoamento não apresentasse oscilações, o que normalmente ocorre na calibração do medidor de referência Recomendações para trabalhos futuros É indicado que para qualquer novo teste executado ocorra a verificação da frequência da bomba para o controle da estabilidade do escoamento, de modo a validar o teste quanto à sua repetibilidade. Uma das sugestões de trabalho para comparar com os resultados obtidos seria utilizar a orientação dos transdutores em 45 e 135, que segundo o estudo de (Ferreira, 2015) foi a melhor orientação obtida. Estudar também o aumento do desempenho metrológico dos medidores ultrassônicos de acordo com o número de canais, como forma de comprovar que um medidor com 8 canais é metrologicamente superior a um medidor com apenas 1 canal. Outro ponto que seria interessante testar é a utilização de um tanque de calibração para comparação do volume de líquido por teste gravimétrico. Além disso, é sugerido que se empregue outro tipo de fluido nos testes. Além dessas orientações, outra sugestão seria testar com vazões mais altas com o objetivo de o escoamento atingir maiores velocidades, acima de 5 m/s para validar os valores de incerteza fornecido no certificado do fabricante do medidor clamp-on.

73 Referências bibliográficas 1. FERREIRA, G. A. A. Caracterização metrológica de um medidor clampon para calibração in situ de medidor de vazão em escoamento em desenvolvimento. Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro. Rio de Janeiro FLOW CONTROL. Flow Control magazine. Disponivel em: < bil-by-2017/>. Acesso em: 05 maio AGÊNCIA NACIONAL DO PETRÓLEO, GÁS NATURAL E BIOCOMBUSTÍVEIS. INSTITUTO NACIONAL DE METROLOGIA, NORMALIZAÇÃO E QUALIDADE INDUSTRIAL. Portaria Conjunta ANP/Inmetro Nº 001, de 10 de junho de NATIONAL MEASUREMENT SYSTEM. Good practice guide - an introduction to non-invasive ultrasonic flow metering. Disponivel em: < Invasive_Ultrasonic_Flow_Metering.pdf>. Acesso em: 14 maio WEBER JR., F. J. Ultrasonic beam propagation in turbulent flow. Dissertation Worcester Polytechinc Institute. Worcester, p TÉCNICAS, ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS. NBR 16198: Medição de vazão de fluidos em condutos fechados - Métodos usando medidor de vazão ultrassônico por tempo de trânsito - Diretrizes gerais de seleção, instalação e uso FUNCK, B.; LIPTROT, P. A Review of a Four-Channel Clamp-On Ultrasonic Flowmeter. CEESI Workshop. Lisboa: p INSTITUTO NACIONAL DE METROLOGIA, QUALIDADE E TECNOLOGIA - INMETRO. Vocabulário Internacional de Metrologia ed. Duque de Caxias, RJ: 2012.

74 74 9. ISO GUM. Avaliação de dados de medição: Guia para a expressão de incerteza de medição. INMETRO/CICMA/SEPIN AMERICAN GAS ASSOCIATION. AGA Report. 9: Measurement of INSTITUTE, AMERICAN PETROLEUM. API MPMS 5.8: Measurement of Liquid Hydrocarbons by Ultrasonic Flow Meters INTERNATIONAL ORGANIZATION FOR STANDARDIZATION. ISO 5168: Measurement of fluid flow -- Procedures for the evaluation of uncertainties INTERNATIONAL ORGANIZATION FOR STANDARDIZATION. ISO/TR 12765: Measurement of fluid flow in closed conduits Methods using transit-time ultrasonic flowmeters INTERNATIONAL ORGANIZATION FOR STANDARDIZATION. ISO 12242: Measurement of fluid flow in closed conduits - Ultrasonic transittime meters for liquid INTERNATIONAL ORGANIZATION FOR STANDARDIZATION. ISO : Measurement of fluid flow in closed conduits - Ultrasonic meters for gas - Part 1: Meters for custody transfer and allocation measurement INTERNATIONAL ORGANIZATION FOR STANDARDIZATION. ISO : Measurement of fluid flow in closed conduits - Ultrasonic meters for gas - Part 2: Meters for industrial applications BRITISH STANDARDS INSTITUTION. Use of clamp-on (externally mounted) ultrasonic flow-metering techniques for fluid applications. Guide AGÊNCIA NACIONAL DO PETRÓLEO, GÁS NATURAL E BIOCOMBUSTÍVEIS. INSTITUTO NACIONAL DE METROLOGIA, NORMALIZAÇÃO E QUALIDADE INDUSTRIAL. Portal ANP. Disponivel em: < Acesso em: 03 maio AMERICAN PETROLEUM INSTITUTE. API MPMS 4.2: Displacement Provers

75 AMERICAN PETROLEUM INSTITUTE. API MPMS 4.5: Master-Meter Provers INSTITUTO NACIONAL DE METROLOGIA, NORMALIZAÇÃO E QUALIDADE INDUSTRIAL. Portaria Inmetro/Dimel nº de fevereiro de AMERICAN PETROLEUM INSTITUTE. API MPMS : Properties of Reference Materials, Part 1 Density of Water and Water Volume Correction Factors for Calibration of Volumetric Provers AMERICAN PETROLEUM INSTITUTE. API MPMS 20.1: Allocation Measurement WEST, C.; COUNCIL, C. Committee report: transit-time ultrasonic flowmeters. Journal AWWA, Denver, v. 89, n. 7, p , FUNCK, B.; BALDWIN, P. Challegens for ultrasonic flow meters in wet gas applications. FLEXIM. Berlim, p PANICKE, M. Diagnosis and evaluation of ultrasonic clamp-on measurements. FLEXIM. Berlim, p MARTINS, R. S.; RAMOS, R. Numerical evaluation of upstream bend installation effects on fully developed flow profiles aiming ultrasonic flow metering. 21st International Congress of Mechanical Engineering. Natal: p PETRUT, T. et al. Flow rate computation of highly turbulent pipe flows using wide-band signals and matched filter-based approach in ultrasonic multi-element configuration. Grenoble Institute of Technology. Saint Martin d Hères, p. 12. n.a. 29. RUPPEL, C.; PETERS, F. Effects of upstream installations on the reading of an ultrasonic flowmeter. Flow Measurement and Instrumentation, Essen, v. 15, p , SANDERSON, M. L.; YEUNG, H. Guidelines for the use of ultrasonic noninvasive metering techniques. Flow Measurement and Instrumentation, Cranfield, v. 13, p , July STRUNZ, T. et al. Influence of turbulence on ultrasonic flow measurements. VDI Berichte, Reinach, p. 6, 2003.

76 HOFMANN, F. Fundamentals of Ultrasonic-flow measurement for industrial applications ed. Duisburg: v. 04, MATTINGLY JR., G.; YEH, T. T. NIST's ultrasonic technology assessment program to improve flow measurement. National Institute of Standards and Technology. Palo Alto, p NIKURADSE, J. Laws of turbulent flow in smooth pipes. National Aeronautics and Space. Washington BRITISH STANDARDS INSTITUTION BS Use of clamp-on (externally mounted) ultrasonic flow-metering techniques for fluid applications

77 Anexo A: Certificado medidor clamp-on Flexim 77

78 78

79 79

80 Anexo B: Manual bomba NETZSCH modelo NM063BY01L07V 80

81 Anexo C: Certificado medidor Caldon modelo 280C 81

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90 Anexo D: Certificado do multímetro HP 34970A 90

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